CN114109405B - 一种盾构机掘进模式在线转换控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盾构机掘进模式在线转换控制系统,包括土压力探测器A、水压力探测器、土压力传感器B、土仓、螺旋出土器、水平压力传感器、扭矩传感器、液压油缸、主驱动、光纤、控制台、刀盘。本发明的有益效果是:地质信息反馈装置、土仓压力监测控制装置和推力扭矩监测控制装置通过控制台相互配合,使得在线式EPB‑TBM双模掘进设备在EPB(土压平衡盾构)模式与TBM(全断面硬岩隧道掘进机)模式之间进行转换时,掘进设备继续运行且开挖面保持稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种盾构机掘进模式,具体为一种盾构机掘进模式在线转换控制系统,属于盾构机设备技术领域。
背景技术
近年来,伴随着国内经济水平的飞速发展和隧道工程施工工艺技术的进步,我国已经成为当今世界上隧道及地下工程规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家。其中,盾构法作为现代隧道及地下工程项目建设的重要施工方法,因其机械化程度高、施工安全风险低、掘进速度快、施工环境影响小、复杂地质条件适应性强等优点,被广泛的应用于城市轨道交通工程、公路工程、铁路工程和城市综合管廊隧道等工程领域中,已逐渐成为国内外研究的热点。随着盾构隧道工程建设的规模逐渐扩大和盾构施工技术的不断发展,盾构机的种类也越来越丰富,盾构机上采用的新技术、新工艺越来越多,其施工速度也越来越快,所能适应的地质条件也越来越复杂。
目前盾构工程建设常用的盾构机有EPB(EarthPressBalance,土压平衡盾构)、SPB(SlurryPressBalance,泥水平衡盾构)和单护盾或双护盾TBM(TunnelBoringMachine,全断面硬岩隧道掘进机),在深圳地铁12号、13号、14号线和福州地铁4号线中,还曾使用离线式(不能在盾构不停机状态下转换掘进模式)EPB-TBM双模盾构施工。然而,由于盾构隧道穿越地层地质条件的复杂性,以及施工工期与经济性要求,单一的EPB、SPB、TBM盾构设备和离线式EPB-TBM双模盾构设备均表现出了明显的局限性,主要表现在以下三点:
1.土压平衡盾构和泥水平衡盾构在极端硬岩地层中掘进效率低、刀具及换刀成本高;
2.单护盾或双护盾TBM在硬岩地层中掘进速度快、换刀效率高、刀具消耗成本低,但无法在复合地层中掘进;
3.此前EPB和TBM两种功能模式不能同时共存的离线式双模掘进机在隧道内进行土压和TBM模式转换时,耗时长达1个月以上,影响项目整体工期。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决问题而提供一种盾构机掘进模式在线转换控制系统,在更好地适应复杂地层的同时,解决离线模式的EPB-TBM双模盾构在掘进作业中TBM模式与EPB模式转换带来的工期长的技术问题,实现EPB-TBM双模盾构掘进模式的在线转换控制。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的:一种盾构机掘进模式在线转换控制系统,包括
地质信息反馈装置,其由用于探测地表土压力的土压力探测器A、用于探测水压力的水压力探测器构成,且所述土压力探测器A和水压力探测器的输出端均连接有光纤,所述土压力探测器A和水压力探测器分别设置于刀盘的外侧;
土仓压力监测控制装置,其由用于探测土仓压力的土压力传感器B、用于排土的螺旋出土器构成,且所述土压力传感器B和螺旋出土器均连接有光纤;
推力扭矩监测控制装置,其由液压油缸、设置于所述液压油缸上的水平压力传感器、主驱动、设置于所述主驱动上的扭矩传感器构成,且所述水平压力传感器、扭矩传感器、液压油缸和主驱动均与光纤进行连接;
控制台,其通过光纤对所述土压力探测器A、水压力探测器、土压力传感器B、水平压力传感器、扭矩传感器的探测数值进行收集与记录,且其通过光纤对所述螺旋出土器的转速、所述液压油缸的伸缩和所述主驱动的扭矩进行控制。
作为本发明再进一步的方案:所述刀盘的上部、中部以及下部各设置一组土压力探测器A和水压力探测器。
作为本发明再进一步的方案:所述土压力传感器B紧密贴合在所述土仓的前、后挡板上。
一种盾构机掘进模式在线转换控制系统的操作方法,该操作方法包括以下步骤
步骤一:利用土压力探测器A、水压力探测器探测得到开挖面前方约一倍洞径D的水压力P1、土压力P2,通过光纤传送至控制台收集并记录;
步骤二:根据步骤一得到的开挖面前方水压力P1、土压力P2,通过控制台预先匹配相应的液压油缸顶推力P5和主驱动扭矩,保证施工进行和开挖面稳定;
步骤三:安装土仓和螺旋出土器,通过控制台预先设定土仓压力,缓慢提高螺旋出土器转速,但使排土量小于进土量,逐步增大土仓压力,同时通过土仓前挡板上土压力传感器B,实时监测土仓前部土压P3,通过土仓后挡板上土压力传感器B,实时监测土仓后部土压P4,计算得到土仓压力折减系数η=(P4-P3)/P4;
步骤四:通过控制台逐步降低液压油缸顶推力,逐步增加主驱动扭矩,并分别实时记录水平压力传感器、扭矩传感器通过光纤传输至控制台的数据P4、P5,使得:
P3+P5×(1-η)=1.1(P1+P2);
步骤五:重复步骤三、步骤四,当土仓内土仓压力达到预先设定值时,即P3、P4基本保持不变,螺旋出土器转速保持稳定,土仓进土量与排土量基本一致,此时刀盘内侧平衡力全部由土仓提供,P3=1.1(P1+P2),同时满足EPB模式低转速高扭矩运行需求。
本发明的有益效果是:地质信息反馈装置、土仓压力监测控制装置和推力扭矩监测控制装置通过控制台相互配合,使得在线式EPB-TBM双模掘进设备在EPB(土压平衡盾构)模式与TBM(全断面硬岩隧道掘进机)模式之间进行转换时,掘进设备继续运行且开挖面保持稳定。
附图说明
图1为本发明盾构平衡示意图;
图2为本发明系统结构示意图。
图中:1、土压力探测器A,2、水压力探测器,3、土压力传感器B,4、土仓,5、螺旋出土器,6、水平压力传感器,7、扭矩传感器,8、液压油缸,9、主驱动,10、光纤,11、控制台,12、刀盘。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅图1~2,一种盾构机掘进模式在线转换控制系统,包括
地质信息反馈装置,其由用于探测地表土压力的土压力探测器A1、用于探测水压力的水压力探测器2构成,且所述土压力探测器A1和水压力探测器2的输出端均连接有光纤10,所述土压力探测器A1和水压力探测器2分别设置于刀盘12的外侧;
土仓压力监测控制装置,其由用于探测土仓4压力的土压力传感器B3、用于排土的螺旋出土器5构成,且所述土压力传感器B3和螺旋出土器5均连接有光纤10;
推力扭矩监测控制装置,其由液压油缸8、设置于所述液压油缸8上的水平压力传感器6、主驱动9、设置于所述主驱动9上的扭矩传感器7构成,且所述水平压力传感器6、扭矩传感器7、液压油缸8和主驱动9均与光纤10进行连接;
控制台,其通过光纤10对所述土压力探测器A1、水压力探测器2、土压力传感器B3、水平压力传感器6、扭矩传感器7的探测数值进行收集与记录,且其通过光纤10对所述螺旋出土器5的转速、所述液压油缸8的伸缩和所述主驱动9的扭矩进行控制。
在本发明实施例中,所述刀盘12的上部、中部以及下部各设置一组土压力探测器A1和水压力探测器2,以能够准确探测到开挖面前方土压力和水压力。
在本发明实施例中,所述土压力传感器B3紧密贴合在所述土仓4的前、后挡板上,以够能准确测得土仓4内前、后土体的压力,进而得到土仓4压力折减系数。
实施例二
一种盾构机掘进模式在线转换控制系统的操作方法,土压平衡盾构模式通过所述盾构机模式在线转换控制系统转换至全断面硬岩隧道掘进模式:包括以下步骤
步骤一:利用土压力探测器A1、水压力探测器2探测得到开挖面前方约一倍洞径D的水压力P1、土压力P2,通过光纤10传送至控制台11收集并记录;
步骤二:根据步骤一得到的开挖面前方水压力P1、土压力P2,通过控制台11预先匹配相应的土仓压力P3、液压油缸8顶推力P5和主驱动9扭矩,保证施工进行和开挖面稳定;
步骤三:通过控制台11逐渐提高螺旋出土器5转速,增大排土量,逐步降低土仓压力,同时通过土仓前挡板上土压力传感器B3,实时监测土仓前部土压P3,通过土仓后挡板上土压力传感器B3,实时监测土仓后部土压P4,计算得到土仓压力折减系数η=(P4-P3)/P4;
步骤四:通过控制台11逐步增加液压油缸8顶推力,逐步降低主驱动9扭矩,并分别实时记录水平压力传感器6、扭矩传感器7通过光纤10传输至控制台11的数据P4、P5,使得
P3+P5×(1-η)=1.1(P1+P2);
步骤五:重复步骤三、步骤四,当土仓4内土仓压力为零时,即P3=P4=0土仓4和螺旋出土器5退出工作,液压油缸8顶推力P5保持稳定,此时刀盘内侧平衡力全部由液压油缸8提供,P5=1.1(P1+P2),同时满足TBM模式高转速低扭矩运行需求
实施例三
一种盾构机掘进模式在线转换控制系统的操作方法,全断面硬岩隧道掘进模式通过所述盾构机模式在线转换控制系统转换至土压平衡盾构模式:包括以下步骤
步骤一:利用土压力探测器A1、水压力探测器2探测得到开挖面前方约一倍洞径D的水压力P1、土压力P2,通过光纤10传送至控制台11收集并记录;
步骤二:根据步骤一得到的开挖面前方水压力P1、土压力P2,通过控制台11预先匹配相应的液压油缸8顶推力P5和主驱动9扭矩,保证施工进行和开挖面稳定;
步骤三:安装土仓4和螺旋出土器5,通过控制台11预先设定土仓压力,缓慢提高螺旋出土器5转速,但使排土量小于进土量,逐步增大土仓压力,同时通过土仓4前挡板上土压力传感器B3,实时监测土仓前部土压P3,通过土仓4后挡板上土压力传感器B3,实时监测土仓4后部土压P4,计算得到土仓压力折减系数η=(P4-P3)/P4;
步骤四:通过控制台11逐步降低液压油缸8顶推力,逐步增加主驱动9扭矩,并分别实时记录水平压力传感器6、扭矩传感器7通过光纤10传输至控制台11的数据P4、P5,使得
P3+P5×(1-η)=1.1(P1+P2);
步骤五:重复步骤三、步骤四,当土仓4内土仓压力达到预先设定值时,即P3、P4基本保持不变,螺旋出土器5转速保持稳定,土仓4进土量与排土量基本一致,此时刀盘内侧平衡力全部由土仓5提供,P3=1.1(P1+P2),同时满足EPB模式低转速高扭矩运行需求。
工作原理:实际工作时,所述控制台能够实现对所述土压力探测器A1、所述水压力探测器2、所述土压力传感器B3、所述水平压力传感器6探测数值的收集与记录,实现对所述螺旋出土器5转速、所述液压油缸8伸缩和所述主驱动扭矩9的控制,使得在线式EPB-TBM双模掘进设备在EPB(土压平衡盾构)模式与TBM(全断面硬岩隧道掘进机)模式之间进行转换时,掘进设备继续运行且开挖面保持稳定。
对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (1)
1.一种盾构机掘进模式在线转换控制系统的操作方法,其特征在于:
所述盾构机掘进模式在线转换控制系统,包括
地质信息反馈装置,其由用于探测地表土压力的土压力探测器A(1)、用于探测水压力的水压力探测器(2)构成,且所述土压力探测器A(1)和水压力探测器(2)的输出端均连接有光纤(10),所述土压力探测器A(1)和水压力探测器(2)分别设置于刀盘(12)的外侧;
土仓压力监测控制装置,其由用于探测土仓(4)压力的土压力传感器B(3)、用于排土的螺旋出土器(5)构成,且所述土压力传感器B(3)和螺旋出土器(5)均连接有光纤(10);
推力扭矩监测控制装置,其由液压油缸(8)、设置于所述液压油缸(8)上的水平压力传感器(6)、主驱动(9)、设置于所述主驱动(9)上的扭矩传感器(7)构成,且所述水平压力传感器(6)、扭矩传感器(7)、液压油缸(8)和主驱动(9)均与光纤(10)进行连接;
控制台,其通过光纤(10)对所述土压力探测器A(1)、水压力探测器(2)、土压力传感器B(3)、水平压力传感器(6)、扭矩传感器(7)的探测数值进行收集与记录,且其通过光纤(10)对所述螺旋出土器(5)的转速、所述液压油缸(8)的伸缩和所述主驱动(9)的扭矩进行控制;
所述刀盘(12)的上部、中部以及下部各设置一组土压力探测器A(1)和水压力探测器(2);所述土压力传感器B(3)紧密贴合在所述土仓(4)的前、后挡板上;
所述操作方法包括以下步骤:
步骤一:利用土压力探测器A(1)、水压力探测器(2)探测得到开挖面前方约一倍洞径D的水压力P1、土压力P2,通过光纤(10)传送至控制台(11)收集并记录;
步骤二:根据步骤一得到的开挖面前方水压力P1、土压力P2,通过控制台(11)预先匹配相应的液压油缸(8)顶推力P5和主驱动(9)扭矩,保证施工进行和开挖面稳定;
步骤三:安装土仓(4)和螺旋出土器(5),通过控制台(11)预先设定土仓压力,缓慢提高螺旋出土器(5)转速,但使排土量小于进土量,逐步增大土仓压力,同时通过土仓(4)前挡板上土压力传感器B(3),实时监测土仓前部土压P3,通过土仓(4)后挡板上土压力传感器B(3),实时监测土仓(4)后部土压P4,计算得到土仓压力折减系数η=(P4-P3)/P4;
步骤四:通过控制台(11)逐步降低液压油缸(8)顶推力,逐步增加主驱动(9)扭矩,并分别实时记录水平压力传感器(6)、扭矩传感器(7)通过光纤(10)传输至控制台(11)的数据P4、P5,使得:
P3+P5×(1-η)=1.1(P1+P2);
步骤五:重复步骤三、步骤四,当土仓(4)内土仓压力达到预先设定值时,即P3、P4基本保持不变,螺旋出土器(5)转速保持稳定,土仓(4)进土量与排土量基本一致,此时刀盘内侧平衡力全部由土仓(4)提供,P3=1.1(P1+P2),同时满足EPB模式低转速高扭矩运行需求。
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